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1、音频功率放大器设计方案31102140 宇洋 通信 1103 31102391 宇超 自动化 1102 一、设计任务和设计要求：（1）功能：音频功率放大器用于驱动扬声器发声，将话筒接收到的电信号放 大后从扬声器传出。音频放大器有两种，一种是专用于音频放大的运算放大器， 它在音频围有比较好的性能（主要是频响特性和失真特性，好的音频放大器这两 个特性都非常好），一般用于音响的前置放大级；另一种是音频功放，也就是功 率放大电路，用于音响的驱动级，可以驱动功率比较大的喇叭或者音响，使之发 出声音；运算放大器是集成放大电路的统称，其概念围比音频放大器（特指用于 前置放大的音频放大器）大，且有更大的应用围
2、，其频率适用围远远大于音频放 大器，往低到直流，高的可以达到几百M甚至G赫兹级。简单的说，音频放大 器就是一种特殊的运放。（2）主要设计指标：1、负载阻抗：Rl=8Q2、额定功率：P0=2OW3、带宽：BW20Hz20KHz。4、音调控制：低音：100Hz12dB高音：10kHz12dB1KHz处增益为0dB5、失真度：Y 3%6、输入灵敏度：Viv775mV, Viv5mV二、详细设计方案：根据设计课题的要求，该音频功率放大器可由图1所示框图实现。下面主要介 绍各部分电路的特点及要求。图1音频功率放大器组成框图1、前置放大器音频功率放大器的作用是将声音源输入的信号进行放大，然后输出驱动扬声器
3、。 声音源的种类有多种，如传声器（话筒）、电唱机、录音机（放音磁头）、CD唱机及线 路传输等，这些声音源的输出信号的电压差别很大，从零点几毫伏到几百毫伏。 一般功率放大器的输入灵敏度是一定的，这些不同的声音源信号如果直接输入到 功率放大器中的话，对于输入过低的信号，功率放大器输出功率不足，不能充分 发挥功放的作用；假如输入信号的幅值过大，功率放大器的输出信号将严重过载 失真，这样将失去了音频放大的意义。所以一个实用的音频功率放大系统必须设 置前置放大器，以便使放大器适应不同的的输入信号，或放大，或衰减，或进行 阻抗变换，使其与功率放大器的输入灵敏度相匹配。另外在各种声音源中，除了 信号的幅度差
4、别外，它们的频率特性有的也不同，如电唱机输出信号和磁带放音 的输出信号频率特性曲线呈上翘形，即低音被衰减，高音被提升。对于这样的输 入信号，在进行功率放大器之前，需要进行频率补偿，使其频率特性曲线恢复到 接近平坦的状态，即加入频率均衡网络放大器。对于话筒和线路输入信号，一般只需将输入信号进行放大和衰减，不需要进 行频率均衡。前置放大器的主要功能一是使话筒的输出阻抗与前置放大器的输入 阻抗相匹配；二是使前置放大器的输出电压幅度与功率放大器的输入灵敏度相匹 配。由于话筒输出信号非常微弱，一般只有100V几毫伏，所以前置放大器 输入级的噪声对整个放大器的信噪比影响很大。前置放大器的输入级首先采用低
5、噪声电路，对于由晶体管组成的分立元件组成的前置放大器，首先要选择低噪声 的晶体管，另外还要设置合适的静态工作点。由于场效应管的噪声系数一般比晶 体管小，而且它几乎与静态工作点无关，在要求高输入阻抗的前置放大器的情况 下，采用低噪声场效应管组成放大器是合理的选择。如果采用集成运算放大器构 成前置放大器，一定要选择低噪声、低漂移的集成运算放大器。对于前置放大器 的另外一要要有足够宽的频带，以保证音频信号进行不失真的放大。图 2 前置级放大器电路图由于信号远输入的信号幅度较小。不足以推动以后的功放电路。因此要用电 压放大电路对信号输入的音频信号电压进行放大，对于信号源，其负载约为 47K Q,所以选
6、用电压串联负反馈方式的同相比例放大器，它可以使输入电阻增大， 输出电阻减小，且输入输出电压同相。又因为前置放大级的增益为44dB,即158 倍，取160 倍，前置放大级电路采用二级，第一级与第二级采用电容耦合方式， 总的电压放大倍数为Auf=160,设计中选用Auf1=1, Auf2=160。 其中第一级实际上是一个电压跟随器，它提高了带负载的能力。电路中二极管D1作用是：当线路输入是0.775V时，D1导通，此时LF353 (2) 也为一个电压跟随器，信号不经过放大直接到音调控制级的输入端。当输入为5mV时，不足以让二极管导通，此时LF353 (2)为放大器，信号将放大160倍 后到音调控制
7、级的输入端18。2、音调控制电路音调控制电路的主要功能是通过对放音频带放大器的频率响应曲线的形状 进行控制，从而达到控制放音音色的目的，以适应不同听众对音色的不同爱好。 此外还能补偿信号中所欠缺的频率分量，使音质得到改善，从而提高放音系统的 放音效果。在高保真放音电路中，一般采用的是高、低音分别可调的音调控制电 路。一个良好的音调控制电路，要求有足够的咼、低音调节围，同时有要求在咼、 低音从最强调到最弱的整个过程中，中音信号(一般指1kHz )不发生明显的幅 值变化，以保证音量在音调控制过程中不至于有太大的变化。音调控制电路大多 由RC元件组成，利用RC电路的传输特性，提升或衰减某一频段的音频
8、信音调 控制电路一般可分为衰减式和负反馈式两大类，衰减式音调控制电路的调节围可 以做得较宽，但由于中音电平也要作很大的衰减，并且在调节过程中整个电路的 阻抗也在变化，所以噪声和失真较大。负反馈式音调控制电路的噪音和失真较小, 并且在调节音调时，其转折频率保持固定不变，而特性曲线的斜率却随之改变。 因此，音调控制器的电路可以由低通滤波器和高通滤波器构成。由运算放大器构 成的音调控制器，电路调节简单，元器件少，因此，我们选用这种电路形式。图 3 音调控制级电路图图中，电位器rp 33用来调节音量的大小，即为音量控制电路。设电容C31=C32C33,在中，底音频区，C33可视为开路，在中，高音频区,
9、 C31，C32 可视为短路。工作状态及元件参数计算：第一：低频时的情况：低频提升与衰减，电路图如下图4 (a和图4 (b)所示：图4低频提升与衰减电路SizeNumberA4Revision增益为：A(jw)=- 匕一 (RP31+R32)/R31*憐 哪新建文件夹yDeLgd/小幣B；式中：1=1/ (RP31 *C32), 甲2= (RP31+R32) / (RP31 *R32*C32)4 (3-4)当ffLl时，C32可视为开路，运算放大器的反向输入端视为虚地，R34的影响 可以忽略，此时电压增益。AVL=(RP31+R32)/R31 在f=fL 1时，因为fL2=10fLl,故可得A
10、V1=(RP31+R32)/.J2 R31 此时，电压增益AV1相对于AVL下降了 3dB。 在 f=fL1 时，可得 AV1=(RP31+R32)/R31* G2/10)=0.14 AVL 此时，电压增益AV2相对于AVL下降了 17dB。 同理可得低频衰减的相应表达式。第二：高频提升与衰减：Size NumberBRa=R31+R31e+ （歸1建文件夹/跟2）RevisionSheet ofDrawn By:A电阻关系式为:A图G)BGNDSize+VCCSheet ofDrawn By:图&itle咼频提升与衰减电路C3图阳)n.ddb3Rb=R34+R32+(R34R32/R31)
11、Rc=R31+R32+(R32R31/R34) 若取 R31二R32二R34,则上式为：Ra二Rb二Rc=3R32=3R3412高频提升1与衰减的等效电路如下2 图6所示：Number (.、A增益函数表达式为：A(jW)=V /Vi = Ra * 1 +严 w3 0D；e：常新!文件12式中， 3 = 1限 + 心匕J， 4 = 1 R33C33f fH2时，C33视为端路，此时电压增益AVH= (Ra+R33)/R33同理可以得图示电路的相应表达式，其增益相对于中频增益为衰减量又已知 fLx = 100HZ, fHx = 10KHZ,x = 12dB，由计算式得：f = f *2x/6 二
12、 400HZ 则 f = f /10 = 40HZ L 2Lx，则 L1L 2；f 二 f /2x/6 二 2.5KHZ 则 f = 10f = 25KHZ H1Hx，则 H 2H1AVL= (RP31+R32) /R3120dB其中，R31，R32，RP31不能取得太大，否则运放漂移电流的影响不可忽视。但也不能太小，否则流过它们的电流将超过运放的输出能力。常取几千欧姆至几百千欧姆。现取RP31=470KQ，则AVL=(RP31+R32)/R31=11(20.8dB)C322兀RP f31 L1二 0.008pF取标称值 0.01 pF，即 C31 = C32 = 0.01pF取 R34二R3
13、1二R32=47K,则R 二 3R 二 141K0a 34R = R /10 = 14.1KQ取标称值13KQC3312n R f33 H 2=490PF,取标称值470PF33 a取RP32 = RP31 = 470KG,RP33 = 10KG，级间耦合电容 C34 = C35 = 10pF3、功率放大器功率放大器的作用是给音响放大器的负载（一般是扬声器）提供所需要的输出功 率。功率放大器的主要性能指标有最大输出不失真功率、失真度、信噪比、频率响应 和效率。目前常见的电路结构有OTL型、OCL型、DC型和CL型。有全部采 用分立元件晶体管组成的功率放大器；也有采用集成运算放大器和大功率晶体管
14、 构成的功率放大器；随着集成电路的发展，全集成功率放大器应用越来越多。由 于集成功率放大器使用和调试方便、体积小、重量轻、成本低、温度稳定性好， 功耗低，电源利用率高，失真小，具有过流保护、过热保护、过压保护及自启动、 消噪等功能，所以使用非常广泛。芯片选用LM1875,而一个LM1875的输出功率最大只能达到20W，已能满 足本课题的设计要求，故本设计采用单片LM1875。如果要把输出功率提高到 50W，可选择BTL电路，按照如下方法进行设计：BTL电路它是在OTL电路和OCL电路的基础上发展起来的新型功率放大 电路，其工作原理如下：图 3-7 双端推挽放大电路BTL 电路属于双端推挽放大电
15、路，它由四管组成电桥电路，图中对角 管同时导通，互为推挽。负载上输出正负半周波形19。BTL 电路可以采用单电源供电，且不需要输出电容，这不仅克服了输 出电容的影响，也免除了两组电压对称性的苛刻要求。BTL的两组对角管轮 流导通，互为推挽，在每个信号半周能利用全部电源电压（除去饱和压降）， 同单端电路相比，在相同电源电压和相同负载时，前者的输出功率为后者 的4倍；换言之，如果负载和输出功率相同，BTL电路对所用的晶体管 的耐压要求可比单端电路降低一半，因此，它有易于输出大功率而不损坏 输出管的优点。目前常见的 BTL 电路大多是由两个独立的单端推挽电路拼合而成（多 见于集成电路），其信号分相是先将信号送入第一个单端电路，放大后经电 阻分压再送到第二个单端电路，这样不仅会把单端电路的缺陷带入放大器， 而且还会将第一个单端电路的畸变信
